示波器工作原理教學(xué)課件

示波器基本原理及使用自然界存在著各種形式的波,比如海浪、地震、聲波、爆破、空氣中傳播的聲音,或者身體運(yùn)轉(zhuǎn)的自然節(jié)律。物理世界里,能量、振動(dòng)粒子和不可見的力無處不在。即使是光(波粒二象物質(zhì))也有自己的頻率,并因?yàn)轭l率的不同呈現(xiàn)出不同的顏色通過傳感器,這些力可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),以便通過示波器能夠進(jìn)行觀察和研究。有了示波器,我們就能夠“觀察”隨時(shí)間變化的事件,示波器是任何設(shè)計(jì)、制造或是維修電子設(shè)備的必備之物。當(dāng)今世界瞬時(shí)萬變工程師們需要最好的工具,快速而精確地解決測量疑難示波器的用途不僅僅局限于電子領(lǐng)域。示波器利用信號(hào)變換器,適用于各種各樣的物理現(xiàn)象。信號(hào)變換器能夠響應(yīng)各種物理激勵(lì)源,使之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),包括聲音、機(jī)械應(yīng)力、壓力、光、熱。麥克風(fēng)屬于信號(hào)變換器,它實(shí)現(xiàn)把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。由示波器收集科學(xué)數(shù)據(jù)的例子如圖1所示光電元件圖7.示波器收集科學(xué)數(shù)據(jù)的例子示覬什么是示波器,它是如何工作的?示波器是一種形象地顯示信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形顯示儀器,是一種綜合的信號(hào)特性測試儀,是基本的電子測量儀器,它描繪電信號(hào)的圖形曲線。在大多數(shù)應(yīng)用中,呈現(xiàn)的圖形能夠表明信號(hào)隨時(shí)間的變化過程:垂直(Y)軸表示電壓,水平(X)軸表示時(shí)間。有時(shí)稱亮度為Z軸。(參看圖2)這一簡單的圖形能夠說明信號(hào)的許多特性,例如信號(hào)的時(shí)間和電壓值振蕩信號(hào)的頻率信號(hào)所代表電路的“變化部分”信號(hào)的特定部分相對于其他部分的區(qū)別是否存在故障部件使信號(hào)產(chǎn)生失真信號(hào)的直流值①DC)和交流值(AC信號(hào)的噪聲值和噪聲是否隨時(shí)間變化Y(電壓)X(時(shí)河Z(亮度X(時(shí)間)Z(完亮度)圖2.顯示波形的X、Y和分量理解覬形和形的通常把隨時(shí)間重復(fù)的模式稱為波,聲波、腦電波、海浪、電壓波形都具有重復(fù)的特點(diǎn)。示波器測量的是電壓波形。波的周期是波動(dòng)重復(fù)的部分。波形是波的圖形表現(xiàn)形式。電壓波形描述水平方向的時(shí)間和垂直方向的電壓波形能夠揭示信號(hào)的許多特性。當(dāng)看到波形的高度變化,則表示電壓值在變化當(dāng)看到的是平坦的水平線,則表示在一段時(shí)間內(nèi),信號(hào)沒有變化。平直斜線表示線性變化,電壓以恒定的斜率上升或下降。波形中的尖角指示的是突然的變更。圖3提供出普通波形圖,而圖4展示出這些普通波形的來源需泌一數(shù)波都屬于如下類型方波和矩形波正弦波方波和矩形波方波是另一種常見的波形。從本質(zhì)上看三角波和鋸齒波方波是以相同的時(shí)間間隔,不停開關(guān)的電壓階躍波和脈沖波(或者不斷為高低值),它是測試放大器的標(biāo)準(zhǔn)波形,好的放大器在增加方波幅值的同時(shí)有周期和非周期信號(hào)最小的失真。電視、廣播和計(jì)算機(jī)電路中經(jīng)常同步和異步信號(hào)使用方波作為定時(shí)信號(hào)卜復(fù)雜波矩形波與方波類似,不同之處在于高低電值的間隔時(shí)間并不等長。在分析數(shù)字電路時(shí)有幾個(gè)原因說明正弦波是基本波形。它具有和矩形波非常有用,圖6是方波和矩形波的示例諧的數(shù)學(xué)特性,與正弦函數(shù)曲線的形狀一樣。房間墻角的電源出口輸出的電壓值也如同正弦波那樣變鋸齒波和三角波正弦波。大多數(shù)AC電源產(chǎn)生的是正弦波。(AC表示鋸齒波和三角波來源于線性控制電壓的電的是交流,實(shí)際上電壓值也在改變。D表示的是直路。例如,模擬示波器的水平掃描,或者電視流,同時(shí)意味著穩(wěn)定的電流和電壓,電池產(chǎn)生的就的光柵掃描。這類波形以恒定速率對電壓電平值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這些漸增過程稱為斜坡信號(hào)。圖衰減的正弦波是振蕩電路產(chǎn)生的特殊實(shí)例,它7是鋸齒波和三波的示例隨時(shí)間而衰減。圖5是正弦波和衰減的正弦波的示例LI出僵BASiBi21一題合燃好階躍波和脈沖波之類的信號(hào)很少發(fā)生,并且是非周期信號(hào),這類信號(hào)被稱為單脈沖或瞬時(shí)信號(hào)階躍波指示的是電壓的突然變化,打開電源開關(guān)時(shí)電壓的情況即是如此脈沖指的是電壓的突然的兩次變化,打開電源開關(guān)馬上又關(guān)閉時(shí),產(chǎn)生的電壓波形就是脈沖。在計(jì)算機(jī)電路進(jìn)行傳輸時(shí),一個(gè)脈沖可以表示信息的一位。一系列傳輸脈沖的集合成為脈沖序列計(jì)算機(jī)的數(shù)字部件通過脈沖進(jìn)行相互通信。圖8是階躍波、脈沖波和脈沖序列的示例不斷重復(fù)的信號(hào)稱為周期信號(hào),而不斷變化的信號(hào)稱為非周期信號(hào)。靜止圖象與周期信號(hào)相似而移動(dòng)圖象則與非周期信號(hào)等同如果二信號(hào)之間具備定時(shí)關(guān)系,則稱它們是同步的。舉例來說,計(jì)算機(jī)中的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和地址信號(hào)就是同步信號(hào)異步用來說明信號(hào)之間沒有定時(shí)關(guān)系。比如說,接觸計(jì)算機(jī)鍵盤的行為和計(jì)算機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘之間沒有時(shí)間的關(guān)聯(lián),兩者可被認(rèn)為是異步的些波形鉏合正弦波、方波、階躍波和脈沖的特性,形成新的波形,信號(hào)的信息可以置入幅值、相位中,可能還置入頻率變量當(dāng)中。例如,圖9表示的是平常的復(fù)合視頻信號(hào),但是在低頻包絡(luò)里也置入了許多高頻波形周期。對于這個(gè)例子,理解各處的相對電平和定時(shí)關(guān)系是非常重要的。為了觀察這樣的信號(hào),需要用示波器來捕獲低頻包絡(luò),并以一定的亮度級(jí)表示復(fù)雜高頻波形。如此一來就可以觀察到整個(gè)混合圖象,方便直觀地進(jìn)行解釋說明。對于如圖9所示的視頻信號(hào),模擬和數(shù)字的熒光示波器非常適合觀察這樣的復(fù)雜波形。波形測2)0使用示波器時(shí)有許多測量參數(shù)。下面對一些常見的測量參數(shù)進(jìn)行說明頻率和周期不斷重復(fù)的信號(hào)具有頻率特性,頻率的單位是赫茲(Bz),表示一秒時(shí)間內(nèi)信號(hào)重復(fù)的次數(shù)。稱為周期每秒。重復(fù)信號(hào)也具有周期特性,即信號(hào)完成一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間量。周期和頻率互為倒數(shù)關(guān)系,即(1/周期)等于頻率,同理(1/頻率)等于周期。例如,如圖10所示,該正弦信號(hào)的頻率是3Hz,而周期是1/3秒電壓是電路兩點(diǎn)間的電勢能或信號(hào)強(qiáng)度。有時(shí)把地線或零電壓作為參考點(diǎn)。如果測量的是波形從最高峰值到最低峰值的電壓值,則稱為電壓的峰值-峰值幅度幅度是指電路兩點(diǎn)間電壓量。幅度通常指被測信號(hào)以地或零電壓為參考時(shí)的最大電壓。圖11所示的波形的幅度為1V,而電壓的峰值一峰值為2V參照正弦波很容易理解相位。正弦波的電壓值是基于圓形運(yùn)動(dòng)的,參照圖11圓的度數(shù)是360°而正弦波的一個(gè)周期也是360°為描述經(jīng)過的周期數(shù),可以參照正弦波的相位的角度相移用來描述兩個(gè)不同相似信號(hào)在時(shí)間上的差值圖12中,標(biāo)號(hào)為“電壓”的波形比標(biāo)號(hào)為“電流”的超前90°,因?yàn)閮烧叩竭_(dá)同一點(diǎn)剛好相差1/4周(360°/4-90°)。在電子學(xué)中,相移比較普用數(shù)字示波器對波形進(jìn)行測量現(xiàn)代的數(shù)字示波器使波形測量變得更為容易,通過前面板按鈕,以及基于屏幕的菜單,可方便選擇全自動(dòng)的測量參數(shù)。包括幅值上升/下降時(shí)間,等等。許多數(shù)字儀器也能提供均值和均方值的計(jì)算、占空比和其他教學(xué)運(yùn)算。自動(dòng)化測量通過屏幕讀取數(shù)值,一般來說,讀取的數(shù)值可能比直接利用指針式工具的測量更為準(zhǔn)確些數(shù)字熒光示波器用到的全自動(dòng)波形測量參數(shù)有周期占空比+頻率寬度最小值寬度相位最大值上升時(shí)間下降時(shí)間幅度均值均方值消光率周期均值周期均方值平均光功率周期區(qū)示器的類電子設(shè)備可以劃分為兩類:模擬設(shè)備和數(shù)字設(shè)備。模擬設(shè)備的電壓變化連續(xù)而數(shù)字設(shè)備處理的是代表電壓采樣的離散元碼。傳統(tǒng)的電唱機(jī)是模擬設(shè)備,而CD播放器是屬于數(shù)字設(shè)備樣,示波器也能分為模擬和數(shù)字類型。模擬和數(shù)字示波器都能夠勝任大多數(shù)的應(yīng)用。但是,些特定應(yīng)用,由兩者具備的不同特性類型都有適合和不適合的地方。作進(jìn)一步劃分,數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器(D0數(shù)字熒光示波器(DP0)和采樣示波器模擬示波器在本質(zhì)上,模擬示波器工作方式是直接測量信號(hào)電壓,并通過從左到右穿過示波器屏幕的電束在垂直方向描繪電壓。示波器屏幕通常是陰極射線管(CRT),電子束投到熒幕的某處,屏面總會(huì)有明亮的熒光物質(zhì)。當(dāng)電子束水平掃過顯示器時(shí),信號(hào)的電壓是電子束發(fā)生上下偏轉(zhuǎn),跟蹤波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置電子束投射的頻度越大,顯示得也越亮cRT服制著模擬示波器顯示的頻率范圍。在頻率非常低的地方,信號(hào)呈現(xiàn)出明亮而緩慢移動(dòng)的點(diǎn),而很難分辨出波形。在高頻處,起局限作用的是CRT的寫速度,當(dāng)信號(hào)頻率超過CRT的寫速度時(shí),顯示出來的過于暗淡,難于觀察。模擬示波器的極限頻率約為1GHz當(dāng)把示波器探頭和電路連接到一起后,電壓信號(hào)通過探頭到達(dá)示波器的垂直系統(tǒng)。圖13描述模擬示波器是